同步辐射光源介绍

~10-7 ~1keV ~10-8 ~ 10keV ~10-12 >100MeV ~10-13 >1 GeV
<10-16 >1000 GeV
电子显微镜 同步辐射 低能加速器 高能加速器
高能对撞机
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加速器发展与简介
研究背景
早期（20世纪20 ~40年代）
1926年，美国古里奇（Coolidge）用三个X光管串联获得9×105eV的电子束
最早的对撞机是意大利于1969年建成的，它是一台名为ADONE的直线加 速器型电子对撞机，电子能量为1.5×109eV。
美法等国随后建成同类对撞机。
70年代初，苏联、西德等率先相继建成能量更高的电子同步加速器型对撞 机。
加速器发展与简介
至今，世界上最高能量的直线型电 子对撞机是美国的电子对撞机 SLAC，能量为2×50×109eV，它是 在原有22×109eV直线加速器基础上， 增设能量倍加系统改建而成的。
加速器发展与简介
2）电子感应加速器 ● 1957—1958年，清华、北大分别从前苏联引进25MeV电子感应加速器。并
开始自力更生研制感应加速器。 ● 60年代初，一机部自动化所（即现北京机械工业自动化研究所），
25MeV电子感应加速器研制获得成功。 3）回旋加速器 ● 1958年—1959年，清华大学2.5MeV电子回旋加速器出束。 ● 1958年：原子能研究所自苏联引进了磁极直径1.2m回旋加速器。60年代初，
1931年，美国范德格拉夫(Van De Graff)建成1.5×106eV(1.5MeV）静电高压 加速器。目前为止，该类加速器能量已提高一个量级
1932年，英国科克劳夫特(Cockcroft)和沃尔顿(Walton)建成7×105eV高压倍 压加速器。目前为止，该类加速器能量已达4×106eV
1947年，美国综合电器研究实验室率先建成7×107eV电子同步加速器。此 后，该同类同步加速器的能量被提高到了1.2×109eV水平。
1947年，美国伯克利实验室在阿尔伐瑞兹(Alvarez)领导下建成3.2×107eV 质子驻波直线加速器
1952 年 ， 美 国 布 鲁 克 海 文 (Brookhaven) 国 家 实 验 室 率 先 建 成 了 能 量 为 3×109eV的质子 同步加速器 （即同步稳相加速 器 ）定名为 “宇宙加速 器”(Cosmotron)。至1958年，苏联把该类加速器能量提高到1010eV水平， 轨道半径为28m，磁铁重达3.6×107kg。
同步加速器(synchrotrons)
同步粒子的准共振加速条件: 频率与能量、磁场相关
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1 k Ts

2 s
kzec 2 B

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B
or
要满足准共振条件，必须有下列两个调节：
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k
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① 随能量增长调节磁场，使粒子在恒定轨道上旋转 r ro
② 在加速低能粒子的初期还必须调频——调频起动
串列加速器
Tandem Accelerator 利用一个高压电极使带电粒子获得两次加速的静电型加速器。
工作原理： 将由负离子源产生负离
子注入到加速器主体中，在 高压电极的正电场的作用下， 经低能段加速管被第一次加 速。当负离子到达高压电极 后，通过电子剥离器并被剥 掉2个或多个电子，变为正 离子。在高压电极作用下， 正离子经高能段加速管再次 被加速
世界上最大的同步加速器型电子对 撞机是CERN于1971年建成的质子同 步加速器型对撞机ISR，加速能量为 32.6×109eV 。 在 此 基 础 上 ， CERN 的SPS已被该建成正负电子对撞机， 至今已运行十余年。1987年，超导 研究获得了新的突破，高温超导新 材料的研制得到了令人鼓舞的进展。 为了减少高能量加速器的重量，缩 减轨道尺寸，降低耗电功率，科技工作者正致力于用超导磁体取代笨重的电 磁铁。世界上第一台采用超导磁体的高能质子同步加速器，是美国费米实验 室的Tevatron，它是在原有500×109eV加速器基础上改建而成的。
1932年，美国劳伦斯(Lawrence)建成1.22×106eV回旋加速器，之后同类的 共振加速器能量提高了一个量级
1940年，美国科斯特(Kerst)设计了2.3×106eV电子感应加速器，它是环形轨 道加速器的先驱。后来建成的最大的感应加速器，能量达3.15×108eV，该 类加速器的合理能量范围以5×107eV为宜。在这期间，早期直线共振加速 器也曾被研制，但未获得进一步发展
2、核技术方面的研究
1）核数据测量；（如反应截面测量） 2）模拟试验； 3）原子核的转化和核燃料生产（如ADS）。
3、半导体物理、固体物理、表面物理等方面的基础及应用研究
离子注入（半导体掺杂）、材料表面改性、成分分析（AMS）、损伤研究等
4、工业、农业、医疗等方面的应用
1）工业探伤、电缆辐照。 2）辐照育种、辐照保鲜、辐照杀菌等 3）放射治疗、医用短寿命生产等
先后由北京重型电机厂、上海先锋厂仿制了1.2m、1.5m回旋加速器。 ● 20世纪70年代末至80年代初，由北京机械工业自动化研究所与清华大学、
国家计量局合作研制了25MeV电子回旋加速器) 4）电子直线加速器 ● 1964年，科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。 ● 1974年—1975年初，北京（北京医疗器械研究所、清华大学）、上海
（原计划建50×109eV强聚焦质子同步加速器，后经计划调整，改为建造 2×2.8×109eV正负电子对撞机）。 ● 1988年，由200MeV电子直线加速器和800MeV储存环组成的同步辐射加 速器在中国科技大学建成出光。 ● 1988年末，在兰州近代物理研究所，用于加速重离子的分离扇形回旋加 速器也宣告建成。
1972年，美国建成500×109eV强聚焦质子同步加速器，西欧中心则于1976 年建成能量为400×109eV的同类加速器，简称SPS。上述两台加速器自建 成至80年代末，长期保持最高能量加速器的世界领先地位。
20世纪60年代末至70年代初，粒子对撞机理论得到了迅速发展，这可使粒 子的有效作用能量得以提高几个数量级。
串列加速器
中子发生器
同步加速器(synchrotrons)
定义
一种加速高能粒子的回旋谐振式加速器。它有一个大的环形磁铁。带 电粒子在环形磁场的导引和控制之下沿着半径固定的圆形或接近圆形的轨 道回旋运动，穿越沿途设置的高频加速腔，从中获取能量。加速过程中， 磁场随时间增强，使粒子的轨道半径保持恒定。高频电场的频率则与磁场 同步变化，与同步粒子的回旋运动保持谐振。
加速器发展与简介
中期（20世纪40 ~50年代）
1944至1945年间，美国母克米兰(Mcmillan)和苏联的维克斯勒(B.H.Bekcjep) 发现了准共振加速器以之为基础的“自动稳相原理”
1946 年 ， 第一 台稳 相加速 器 在美国伯 克利 (Berkley) 建 成 ， 获得 能量 为 1.9×108eV的氘核和3.8×108eV的α粒子。至60年代，该类加速器的最高能 量达到了109eV
同步辐射光源的发展及应用
报告人： 刘昌奇 2018. 09. 29
目录
加速器的发展与简介 同步加速器的发展 同步辐射光源的特点与发展 同步辐射光源的应用与现状
加速器发展与简介
加速器的定义
加速器是用人工方 法将带电粒子加速到较 高能量的装置。利用该 装置可以产生各种能量 的电子、质子、氘核、α 粒子以及其他一些重离 子，还可以利用被加速 后的高能粒子轰击不同 靶材料产生次级粒子， 如 X射线、中子和介子 束。
三大加速器的建成，标志我国的高能、大型加速器技术进入了国际行列。
北京正负电子对撞机
合肥同步辐射加速器
200MeV电子直线加速器
速调管走廊
800MeV电子储存环
兰州重离子加速器
上海同步辐射光源
中国散裂中子源
加速器发展与简介
1、用于原子核物理、粒子物理、原子物理等方面的基础研究
利用加速器产生的粒子束流，轰击靶，观察与靶核的相互作用，探索微观 世界的奥秘和规律。
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粒子在环型轨道上共经过 G 个谐振
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加速腔，则粒子旋转一圈所获得的 能量（即能量增长）：
故 B 调节应有下关系：
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B s frf s s Va代表电压差，cosφs代表粒子轨迹与电场夹角
（上海医疗器械厂、高能所）各自研制的10MeV医用电子行波直线加速器 相继成功出束。
加速器发展与简介
● 1977年，上述加速器通过鉴定后，北京医疗器械研究所、上海医疗器械 厂南京电子管厂、四川东风电机厂、四机部十二所开始小批量生产或研 制医用和工业用电子行波直线加速器。
5）中国三大加速器 ● 1988年，2×2.8×109eV正负电子对撞机在高能物理研究所宣告建成。
并投产倍压加速器。 ● 60-70年代,兰州大学\近物所具有600keV倍压加速器。 ● 70-80年代，兰州大学已先后研制成功了1010n/s 、1011 n/s 和1012 n/s 量级
氘氚反应强流中子发生器（倍压式高压加速器），其中，于1988年研制成 功的3 1012 n/s 强流中子发生器，是我国唯一一台产额达到1012 n/s 量级的 中子发器。获奖： 国防科委战略武器与其它国防尖端科技成果三等奖；国 家教委科技成果一等奖和国家科技进步三等奖。
加速器发展与简介
近期（20世纪50 ~80年代）
1952 年 ， 美 国 布 鲁 克 海 文 国 家 实 验 室 古 特 兰 (Courant) 、 里 文 斯 顿 (Livingston)、斯内德(Snyder)等人提出了交变梯度聚焦的原理，受到重视。
1959年，日内瓦西欧原子核研究中心(CERN)最早建成30×109eV强聚焦质 子同步加速器。
观察对象
细胞/细菌
分子的集合
尺寸 束能量 (cm) E=hc/
10-3~10-5 0.1~10eV
手段
光学显微镜
分子
原子的集合 ex) Water = H2O
原子
核与电子
核子
ex) Oxygen = 8p+8n
强子
夸克的集合 ex) p=u+u+d, J/=c+c
夸克、轻子…
(u,d) (s,c) (b,t) (e,e) (,) (,)
静电加速器
Van De Graff Accelerator
1933年美国范德格拉夫 提出一种新型起电原理，利 用直流高压静电场对带电粒 子子进行加速。一个圆筒形 金属高压电极由几根绝缘柱 支承。位于底部电晕针排加 电压后，电晕放电产生的离 子（或电子）,由橡胶带输 送到高压电极上。
静电加速器特点：被加 速离子的能量连续可调；离 子的能量单一；可加速多种离子或电子；离子束聚焦良好，离 子束靶点小。静电加速器是低能核物理实验的最理想工具，同 时还广泛应用于离子注入，材料分析、材料辐照等领域。
SLAC CERN
加速器发展与简介
CEPC
加速器发展与简介
加速器在中国的发展
1）高压型加速器 ● 1955年，在原子能研究所，建成了700keV质子静电加速器。 ● 1958年，在科学院高能物理研究所，2.5MeV质子静电加速器建成。 ● 1958年，清华大学建成400keV质子倍压加速器。 ● 1961年，上海先锋开始试制并投产静电加速。1964年上海先锋厂开始试制
在离子入射初期，能量较低，其速度v比 光速小很多时，随着加速，其速度增长 很显著。随着能量的增长，粒子的速度 接近于光速，其回旋频率也接近常数：
常数 2r
于是，交频场也无需再调节了。
同步加速器(synchrotrons)
1） 磁场调节规律（随时间线性调变） 引入轨道磁场随时间的增长率： 由共振加速条件：
B s
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设Δt为粒子在环型轨道上转一圈的时间:
又
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代入上式得：
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